鞠奔，徐世凱，王勇，阮仕平

(南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京210024)

上海石洞口第一電廠改建工程溫排水物理模型試驗研究

鞠奔，徐世凱，王勇，阮仕平

(南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京210024)

基于溫排水物理模型相似條件，建立了由潮控系統(tǒng)、可調(diào)節(jié)加熱溫控系統(tǒng)和溫度多點采集系統(tǒng)等組成的溫排水物理模型。分別在各種潮型下進行了試驗，對改建后的電廠機組溫排水的溫升分布及取水溫升狀況進行了分析。對改建后利用現(xiàn)有取排水設(shè)施的合理性進行了論證，為工程建設(shè)和相關(guān)環(huán)評工作提供了科學(xué)依據(jù)。

溫排水;物理模型;潮流模擬;取、排水口

1 概況

華能上海石洞口第一電廠位于上海寶山區(qū)月浦鎮(zhèn)，瀕臨長江口南支，現(xiàn)有燃煤發(fā)電機組裝機容量為4325MW，擬將原機組改建升級為2660MW超超臨界燃煤發(fā)電機組，并留有后期擴建余地。由于電廠地處長江口區(qū)域，水流除受到長江徑流影響外，還受到潮汐作用，使水流隨潮往復(fù)運動。在該電廠附近5km內(nèi)還有多家電廠同時運行，取排水設(shè)施間存在相互影響，對溫排水的輸移和擴散較為不利。由于陳行水庫為上海市重要的水源地之一，故在該區(qū)域設(shè)有一、二級保護區(qū)，需研究溫排水對此區(qū)域的環(huán)境影響。本研究通過物理模型試驗，分析溫排水隨潮運動和溫升變化及分布規(guī)律，以滿足溫排水相關(guān)環(huán)保要求，確保電廠安全而經(jīng)濟地運行。

2 模型設(shè)計

2.1 模型范圍

模型范圍的選取既要保證水流運動的相似性要求，又要考慮溫排水的運動范圍，并保證所關(guān)心區(qū)域水流條件不受模型邊界的影響［1－2］。另外，為更真實地反映溫排水熱量累積效應(yīng)，要求試驗時溫排水不溢出或少溢出模型開邊界，因此模型上下游邊界需與排水設(shè)施保持相當(dāng)?shù)木嚯x。綜合考慮將模型上游邊界選擇在陳行水庫上游4km處，模型下游邊界選擇在距本工程排水口10km處，總長約23km，橫向?qū)挾壬暇喟都s4～5km。模型范圍示意見圖1。

圖1 模型范圍示意

2.2 模型制作

模型以2011年11月份1∶5000、1∶2000地形圖為基準(zhǔn)制作，電廠附近局部范圍采用由電廠提供的取排水口設(shè)施附近大比尺地形圖制作，其余區(qū)域測量地形數(shù)據(jù)不足采用其他地形圖進行補充。模型制作采用斷面法，平面誤差在1cm以內(nèi)，高程誤差在1 mm以內(nèi)。

2.2 相似準(zhǔn)則

由于排水近區(qū)以浮射流為主，宜采用正態(tài)模型進行模擬，但考慮遠(yuǎn)區(qū)綜合散熱相似則需模型變態(tài)，采用小變率模型可兼顧近區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)的相似要求。參考類似研究結(jié)果［3－5］，并依據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范［6－7］，結(jié)合取排水工程布置特點、模擬范圍及場地條件，選擇模型水平比尺λl=360，垂直比尺λh=120，模型變率ε=3，其他相關(guān)比尺見表1。

表1 模型比尺

2.3 邊界控制

模型下游邊界由尾門系統(tǒng)控制潮位過程，上游邊界由按單寬流量布置的32小型潛水泵及控制柜所組成的多泵系統(tǒng)控制流量過程。兩套系統(tǒng)均配有相應(yīng)的計算機進行自動控制，其邊界條件由先前數(shù)學(xué)模型計算資料［8］給出，并在試驗過程中根據(jù)水位、流場實測資料［9］進行調(diào)整。

2.4 量測設(shè)備

水位采用南京水科院自行研制的自動跟蹤式水位儀進行測量，并與相應(yīng)的潮位系統(tǒng)控制計算機連接進行數(shù)據(jù)的實時采集，由此控制尾門系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)從而控制潮位起落。流速采用LGY－II型旋槳流速儀，啟動流速為1.5cm/s，測量范圍為2－100cm/s; Nortek Vectrino小威龍三維點式流速儀，測量范圍0.01～4m/s，測量精度為測量值±0.5%±1mm/s，采樣率為1～25Hz。

加熱采用自制可調(diào)壓恒溫加熱器，通過調(diào)節(jié)加熱棒功率而達(dá)到控制一定流量液體溫度的目的。試驗時考慮到能量損耗和加熱棒加熱效率等問題，可先進行調(diào)試性試驗，逐步微調(diào)電壓至溫升穩(wěn)定。

采溫系統(tǒng)主要包括Enview測溫系統(tǒng)和自動跟蹤水位儀及相連測架。測溫系統(tǒng)可對表面和垂向溫升分布進行監(jiān)測，溫度傳感器測量分辨率為0.1℃，精度為±0.1℃，可同時實現(xiàn)256點溫度數(shù)據(jù)采集。溫度采集結(jié)果由計算機自動保存、處理，并且在試驗同時以表格、圖像等實時顯示。

測點的要求:測溫探頭應(yīng)固定于與多臺自動跟蹤水位儀間的可升降測架上;在取排水口及關(guān)心區(qū)域內(nèi)應(yīng)該加密布設(shè)，在需要了解垂向溫升分布的地方增加沿垂向布置的傳感器;為體現(xiàn)由感潮河段往復(fù)流產(chǎn)生的溫度累積效應(yīng)，應(yīng)取試驗中模擬的多個潮周期下取排水設(shè)施連續(xù)運行一定時間的溫度場采集數(shù)據(jù)用作分析，因此要保證測點分布范圍足夠，尤其注意縱向范圍。測點布置大體采用斷面法，將布置15～20個斷面，斷面間距在1.5m～2.0m之間，在需要垂向分層布置傳感器的測點，根據(jù)水深情況布置5個傳感器。本試驗總計布設(shè)測點200余個，傳感器數(shù)量符合系統(tǒng)要求。測點布置見圖2。

圖2 溫度測點布置

3 模型驗證

以長江口水文水資源勘測局開展的水文測驗實測資料為基礎(chǔ)進行流場驗證［9］，驗證點選取見圖3。其中流速驗證點為點1、2、3、4、5，潮位驗證點為點1。以實測潮型的各個時刻表面流速大小和方向為標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)整數(shù)學(xué)模型提供的典型潮型的流量過程，復(fù)原原型流場。經(jīng)過調(diào)整，除個別時刻流速、流向偶有偏差外，試驗與實測流速、流向過程線形態(tài)基本一致，漲、落潮段平均流速偏差控制在±10%內(nèi);試驗潮位過程與實測潮位過程基本一致，高低潮位的相位偏差在±0.5h以內(nèi)，最高最低潮位值偏差在± 10cm以內(nèi)。驗證結(jié)果反映出物理模型水流和實測水流流動過程吻合較好，滿足進行溫排水模型試驗的相關(guān)要求。

圖3 流場驗證點布置

對取水溫升驗證采用現(xiàn)有取排水設(shè)施運行時的實測資料，結(jié)果表明，除個別時刻以外，模型試驗與實測數(shù)據(jù)基本一致，說明模型可以反映出電廠實際運行過程中溫排水力熱力特性。

4 試驗及結(jié)果分析

4.1 取排水工程布置

現(xiàn)有取排水設(shè)施采用深取淺排的差位式布置方案，利用感潮河段往復(fù)流的特點，取排水口在橫向保持一定距離，使得取、排水口分別位于不同流道，減少相互間的影響。試驗取水口設(shè)于離岸約800m的－9.00m等深線處，末端設(shè)有6只2.82m×2.82m多點式側(cè)面進水窗式取水頭，排水口設(shè)于取水口下游約700m，離岸約100m的0.00m等深線處，末端設(shè)有6只1.54m×1.54m多點式排水口?；诠こ痰奶攸c和經(jīng)濟性上的考慮，擬利用現(xiàn)有取排水設(shè)施，僅對發(fā)電機組等進行改建。

4.2 環(huán)境水溫

根據(jù)長江徐六涇水文統(tǒng)計資料和電廠附近水溫觀測資料，附近區(qū)域水溫最高31.8℃，最低2.7℃，年平均值為18.1℃。夏季3個月累計頻率10%的平均自然水溫為30℃，考慮不利條件的原則本試驗環(huán)境水溫取為30℃。

4.3 試驗工況

試驗工況見表2。鑒于該電廠附近還有多座電廠(華能上海石洞口第二電廠一期二期、石洞口燃機電廠、寶鋼電廠)同時運行，各個電廠的溫排水同時排入該區(qū)域，并隨潮往復(fù)運動，將對本工程取排水產(chǎn)生一定影響，因此試驗中應(yīng)同時保證周邊電廠取排水設(shè)施的正常運行。

表2 溫排水物理模型試驗工況

4.4 取水溫升

各個試驗潮型的取水溫升值見表3，溫升隨潮變化日過程線見圖4。全潮取水溫升隨潮型從大到小略有降低，在最低潮位潮型下最大取水溫升較高。從過程上來看，各潮型高平與低平憩流狀態(tài)時，主流區(qū)流速降低，溫排水向主流區(qū)方向擴展范圍略微加寬，取水口區(qū)域受到更多溫排水的影響，此時取水溫升值達(dá)到最大，當(dāng)潮流轉(zhuǎn)為落潮和漲潮后，溫排水對取水區(qū)域的直接影響逐漸減弱，取水溫升逐漸減小。

表3 各工況取水溫升統(tǒng)計

圖4 2×660MW機組運行各潮型下取水溫升日過程線

4.5 垂向溫升分布

為了解取水口附近的溫升垂向分布情況，在取水口前方約5m處布置了1個垂向測溫點，沿垂向布置了5個不等間距的溫度傳感器，分別距水面0m，1.2m，2.4m，3.6m，7.2m。試驗結(jié)果表明，取水口前沿的溫升分布具有明顯的分層現(xiàn)象，表層與底層的溫升差值最大為4.0℃，水深大于3.6m區(qū)域在各潮型下除個別時刻外溫升均在1℃以內(nèi)，小于3.6m區(qū)域溫升隨潮型變化，水動力條件越強的潮型表層溫升越小，總體來說底層水溫較少受到表層溫排水的影響，有利于目前深取淺排的取排水口布置方案。

4.6 表層溫升分布

試驗各工況下溫升包絡(luò)線面積統(tǒng)計值見表4。由溫升包絡(luò)線面積統(tǒng)計可以看出，最低潮位溫升包絡(luò)線面積最大，除最低潮位外，4℃、3℃和2℃的溫升包絡(luò)線包絡(luò)面積依典型小潮、中潮、大潮依次遞減，造成這種現(xiàn)象的原因是高溫升區(qū)靠近岸邊，屬于岸邊弱潮流區(qū)，溫排水的散熱主要通過水動力輸運及擴散，相對來說大潮水動力條件更為有利，潮位變化更為劇烈，溫排水輸移和擴散作用較強，使得溫排水排出后散熱較快，反映在溫升分布上就是相同溫升的包絡(luò)線面積更小。而1℃和0.5℃溫升包絡(luò)線包絡(luò)面積變化規(guī)律有所不同，依小潮、中潮、大潮依次遞增，原因是低溫升區(qū)域距離岸邊更遠(yuǎn)，而距離主流區(qū)較近，溫排水在此區(qū)域受到外側(cè)較強主流的擠壓，橫向擴展受到阻礙，總體上呈貼岸隨潮運動狀態(tài)，在大潮的水動力條件下近岸區(qū)水流流速相對較大，攜帶溫排水的距離較遠(yuǎn)，故影響面積較大，而小潮的水動力條件較弱，攜帶溫排水輸移擴散的距離最近，故影響面積較小。溫排水對陳行水庫飲用水源地保護區(qū)的影響參見表5，由表中保護區(qū)內(nèi)等溫升包絡(luò)線包絡(luò)面積數(shù)據(jù)可知，1℃全潮最大溫升區(qū)有部分進入陳行水庫二級保護區(qū)，但一級保護區(qū)未受此影響，而1℃全潮平均溫升區(qū)對一、二級保護區(qū)均無影響，符合保護區(qū)內(nèi)周平均溫升不得大于1℃的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。

表4 全潮平均(最大)等溫升線包絡(luò)面積統(tǒng)計

表5 陳行水庫二級、一級保護區(qū)內(nèi)的全潮平均(最大)等溫升線包絡(luò)面積統(tǒng)計

5 結(jié)語

(1)研究基于長江口石洞口段地形及水文資料，建立了包含工程區(qū)域的小變態(tài)物理模型，對潮位、流場的驗證表明，模型能夠較好地復(fù)演原型流場，從而為準(zhǔn)確模擬溫排水的運動奠定了基礎(chǔ)，同時對取水溫升的驗證表明，模型能夠反映出電廠實際運行過程中溫排水的熱力特性。

(2)試驗結(jié)果表明，溫排水出流后，受到深槽主流的擠壓，橫向擴展受到一定的阻礙，橫向范圍小而縱向范圍較大，溫排水高溫升區(qū)域多集中在岸邊附近貼岸隨潮運動，溫升由岸邊向主流區(qū)依次遞減，采用差位式取排水設(shè)施布置形式很好地利用了這種特點，取水口與排水口的高溫升區(qū)域保持一定距離，同時利用溫排水分層效應(yīng)深取淺排，取水溫升滿足電廠安全高效運行要求。

(3)溫排水影響范圍多集中在近岸區(qū)域，高溫升區(qū)域擴展范圍不大，1℃全潮最大溫升區(qū)對陳行水庫二級保護區(qū)僅有輕微影響，符合相關(guān)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。

［1］謝鑒衡.河流模擬［M］.北京:水利水電出版社，1992.

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Experimental investigation on thermal discharge of reconstruction project of the Shanghai Shidongkou First Power Plant by physical model

Based on the similar laws of physical model of cooling water，it established a cooling water physical model that consists of tide control system，adjustable heating temperature control system and multi－point temperature acquisition system.A series of experiments have been done under various tide type after reconstruction of the power plant then the temperature rising distribution of the discharge water and the temperature rising situation of inlet water have also been analyzed.The rationality of using the existing intake and drainage facilities after reconstruction has been demonstrated，this would provide a scientific basis for the construction project and related Environmental Impact Assessment work.

thermal discharge;physical model;tide simulation;infall and outfall

X57

B

1674－8069(2015)06－008－04

2015-06-12;

:2015-08-26

鞠奔(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為環(huán)境水力學(xué)。E－mail:juben1990@163.com